用于薄膜蒸餾或氨除去的薄膜接觸器和系統及相關方法

用于薄膜蒸餾或氨除去的薄膜接觸器和系統及相關方法
【專利說明】
[0001]進￡相關申請的奪Y僉考
[0002]本申請要求對于共同待決美國臨時專利申請No. 61/791，034的優先權和其利益， 該臨時專利申請在2013年3月15日提交，該臨時專利申請通過引用全部包括在這里。
技術領域
[°003]本公開或發明一般涉及用于薄膜蒸餾和/或氨除去的新的、改進的、或修改的薄 膜接觸器〔模塊、系統、及/或方法，并且/或者涉及制造、使用等的方法。按照至少選中實 施例，本發明涉及用于薄膜蒸餾和/或氨除去的特別可能優選薄膜接觸器、模塊、系統、及 /或方法，并且/或者涉及用于薄膜蒸餾和/或氨除去的特別可能優選薄膜接觸器、筒、模 f、系統、及/或方法，包括適用于薄膜蒸餾、適用于氨除去、或既適用于薄膜蒸餾又適用于 氨除去的薄膜接觸器、以及其它薄膜接觸器系統、方法或過程，這樣的過程如脫氣、氣化、分 離、過濾等。
【背景技術】
[0004]薄膜接觸器可以用于多種目的，這些目的包括、但不限于：從液體中除去夾雜氣 體、將液體去泡、過濾液體、及將氣體添加到液體中。薄膜接觸器已知用在多種不同用途中； 例如，薄膜接觸器可以用在薄膜蒸餾和/或氨除去中。薄膜接觸器也可以提供完成氣體/ 液體、和液體/液體（它可包括液體/溶解固體）分離的裝置。薄膜接觸器典型地用來將 兩種不互溶流體相（例如，第一液體和第二液體、或氣體和液體）帶到彼此接觸，以實現一 種或多種成分從一種流體到另一種的分離和/或轉移。
[0005]空心纖維薄膜接觸器典型地包括一束微孔空心纖維、和剛性殼體或外殼，該剛性 殼體或外殼包圍纖維束。殼體可以設有四個流體端口 ：用來引入第一流體的進口、用來排出 第一流體的出口、用來引入第二流體的進口、及用來排出第二流體的出口。空心纖維可以在 外殼內在兩個端部上都封裝，例如在環氧樹脂或某種類似材料中封裝，以形成聚合物管隔 板，這些聚合物管隔板具有纖維孔，這些纖維孔在每個端部上通到殼體的公共第一和第二 端蓋部分中1在"管側"或"孔腔側，，接觸器中，第一端蓋可以包含用于第一流體的進口，該 第一流體指示為"管側"或"孔腔側"流體，因為它是穿過纖維的內部孔腔的流體。第二端 蓋包含用來排出孔腔側流體的出口。第二流體-指示為"殼體側"流體，典型地通過進口和 出口端口進入和離開外殼，該進口和出口端口布置在管隔板之間，借此，殼體側流體接觸纖 維的外表面。殼體側流體流過在纖維束的纖維之間的空隙，并且可以定向成，與纖維長度平 行或垂直地流動。作為例子，授予Prasad等的美國專利No. 5, 352, 361可能有助于在殼體 內跨過空心纖維薄膜的流體接觸的背景理解，該專利全部包括在這里以供參考。
[0006]在"殼體側"接觸器中，接觸器可以包括中心芯部，該中心芯部穿過端蓋，并且具有 第一端部，該第一端部用作用于第一流體的進口，該第一流體指示為"殼體側"流體，因為它 是越過空心纖維的外部或殼體的流體。第一端蓋可以包含用于第二流體的進口，該第二流 體指示為"管側"或"孔腔側"流體，因為它是穿過纖維的內部孔腔的流體。第二端蓋包含用 來排出孔腔側流體的出口。第一流體-指示為"殼體側"流體，典型地通過開孔芯部的進口 和出口端口（敞開端部）進入和離開外殼，并且典型地離開和重新進入在管隔板之間的芯 部中的開孔，借此，殼體側流體接觸纖維的外表面。殼體側流體流過在纖維束的纖維之間的 空隙，并且可以定向成，與纖維長度平行或垂直地流動。因為管隔板將孔腔側流體與殼體側 流體分離，所以孔腔側流體不與殼體側流體混合，并且只有在孔腔側流體與殼體側流體之 間的轉移通過空心纖維的壁發生。在纖維壁中的細孔通常填充有兩種流體之一的靜止層， 由于表面張力和/或壓力差效應，阻止其它流體進入孔中。質量轉移和分離通常由擴散引 起，這種擴散典型地由在兩相之間的轉移物質的濃度差驅動。典型地，跨過薄膜不發生對流 或體積流動。在氣體/液體分離的情況下，薄膜接觸器典型地用疏水空心纖維微孔薄膜構 造。由于薄膜是疏水的并且具有非常小的孔，所以液體將不容易穿過孔。這樣，薄膜可以起 惰性支架的作用，該惰性支架將液體和氣體相帶到直接接觸，而沒有分散。在兩相之間的質 量轉移由氣體物質的分壓差支配，這些氣體物質被轉移。對于液體系統，在每個孔處的液體 /液體界面典型地通過薄膜和液相壓力的適當選擇而不動。在這種情況下，薄膜也可以起惰 性支架的作用，以促進兩個不互溶相的直接接觸，而沒有混合。
[0007] 在美國專利文獻此.2012-0247337-八1(申請號如.13/247,213，現在是美國專利 No. 8, 449, 659)中，公開了新的或改進的液體脫氣薄膜接觸器或模塊，該專利文獻通過引用 全部包括在這里，該液體脫氣薄膜接觸器或模塊允許比較小、模塊式脫氣模塊。在專利文獻 2012-0247337中公開的模塊可以例如用在工業過程中、用在發電廠處、用在海上油井設備 或鉆井平臺上，以替換或增強真空塔，以提供模塊性和可替換筒的好處，以降低成本，以減 小復雜性，以消除螺栓或v形帶狀夾具等。
[0008] 薄膜蒸餾、或滲透蒸餾是一種分離過程，在這種分離過程中，使包含揮發性成分的 液體混合物與微孔、非液體可濕潤薄膜相接觸，該微孔、非液體可濕潤薄膜的相對表面暴露 于第二液體相，該第二液體相能夠吸收該揮發性成分。薄膜蒸餾可以用于多種目的，這些目 的包括、但不限于脫鹽、飲料和其它液體食品的濃縮、熱不穩定藥物產品和生物制品的水溶 液的濃縮、等。薄膜蒸餾的主要優點可能在于如下能力：在很低溫度和壓力下將溶質濃縮 到非常高水平，具有對于這些溶質的最小熱或機械損害或損失。薄膜蒸餾過程也可以實現 單種揮發性溶質從水溶液的選擇性除去（比如，乙醇從果酒和其它釀造物中的除去），將水 用作萃取溶劑。低酒精含量飲料可按這種方式生產，具有揮發性香料和香味成分的最小損 失。滲透蒸餾（0D)可能是對于其它非熱或低溫分離技術的有吸引力補充或可選擇技術，這 樣的非熱或低溫分離技術如超濾（UF)、反滲透（R0)、全蒸發、及/或真空冷凍干燥。
[0009] 氨在多種工業的廢水中是普遍問題。因為氨在多種過程中廣泛用作清潔劑（僅作 為例子，半導體或元件的生產，這些半導體或元件要用在電子工業中），所以它可能在生產 廢水中結束，并且在將水排回到環境中之前必須處理或從水中除去。在全球的各種呈現市 場中，新的環境控制和/或規則可能出現，這增加對于有效和有力系統的需要，這些有效和 有力系統用于從流體中的氨除去，這些流體用在工業過程中。薄膜接觸器可以供給一種希 望的可選擇技術，這種希望的可選擇技術用來在多種工業中從廢水中除去氨，并且一些薄 膜接觸器可除去進來氨的高達90 %、甚至95 %、或更多。另外，薄膜接觸器可以從廢水中提 取氨，并且將它轉化成無害銨鹽，該無害銨鹽作為化肥可能具有一些商業價值。氨除去系 統可以基于過程參數而變化，并且給定氨除去系統可以基于希望用途的參數而定尺寸。用 薄膜接觸器用于氨除去的希望過程參數可以包括，但不限于：NH3進口濃度>約500PPm;濾 除材料的預過濾（在氨除去過程開始之前濾除材料）直徑大于約10Um，或大于約5um，約 40-55°C的溫度；進給蒸汽pH>約10;酸性流pH<約2 ;及硫酸作為汽提介質（按重量約 96% )、以及其它類似參數、及其組合。
[0010] 因此，存在開發新的、改進的、或修改的接觸器、模塊、系統及/或方法的需要，這 些接觸器、模塊、系統及/或方法用于薄膜蒸餾和/或氨除去。

【發明內容】

[0011] 按照至少某些實施例、方面或目的，本發明滿足以上需要，并且提供用于薄膜蒸餾 和/或氨除去的這樣的新的、改進的、或修改的接觸器、模塊、系統及/或方法。
[0012] 本發明指向各種薄膜接觸器、模塊、及/或系統、及它們的制造和使用方法。在至 少選中實施例中，本發明指向一種或多種薄膜接觸器、和/或薄膜接觸器的系統、模塊或陣 列，這些薄膜接觸器在從流體中除去氨的方面和/或在流體的薄膜蒸餾或滲透蒸餾方面是 有用的。按照至少選中實施例、例子或方面，本發明指向薄膜蒸餾或滲透蒸餾，該薄膜蒸餾 或滲透蒸餾借助于特別可能優選薄膜接觸器或薄膜接觸器陣列的使用。按照至少選中實施 例、例子或方面，本發明指向氨除去，該氨除去借助于特別可能優選薄膜接觸器或薄膜接觸 器陣列的使用。
[0013]按照至少某些實施例，本公開或發明指向用于薄膜蒸餾和/或氨除去的新的、改 進的、或修改的薄膜接觸器、模塊、系統及/或方法、及/或制造、使用及/或等的方法。按 照至少選中實施例，本發明涉及用于薄膜蒸餾和/或氨除去的特別可能優選薄膜接觸器、 模塊、系統及/或方法，并且/或者涉及用于薄膜蒸餾和/或氨除去的特別可能優選薄膜接 觸器、筒、模塊、系統及/或方法，包括適用于薄膜蒸餾、適用于氨除去、或既適用于薄膜蒸 餾又適用于氨除去的薄膜接觸器，以及涉及其它薄膜接觸器系統、方法或過程，這樣的過程 如脫氣、氣化、分離、過濾等。按照至少一個具體實施例，同一特別薄膜接觸器可以用于薄膜 蒸餾和用于氨除去，并且適于在薄膜蒸餾和氨除去陣列、系統、方法或過程中都操作。
【附圖說明】
[0014]為了說明本發明的實施例、例子或方面起見，在附圖中表示有目前可能優選的形 式；然而要理解，本發明不限于表示的準確實施例、方面、布置、及/或工具。
[0015]圖1是本發明至少一個實施例的示范模塊或接觸器的示意縱向橫截面說明；
[0016]圖2是圖1的模塊或接觸器的放大部分示意縱向橫截面說明；
[0017]圖3是圖1的模塊或接觸器的立體圖說明；
[0018] 圖4是圖1和圖3的模塊或接觸器的側視圖說明；
[0019]圖5是圖1和圖3的模塊或接觸器的端視圖；
[0020]圖6是按照本發明至少一個實施例的示范生產過程在第一生產階段期間示范封 裝前體或中間體的示意縱向橫截面說明；
[0021]圖7是按照圖6的示范生產過程在第二生產階段期間示范加工前體或中間體的示 意縱向橫截面說明；
[0022]圖8是按照本發明至少一個實施例的圖1和3的示范模塊式外殼或殼體的示意縱 向橫截面說明；
[0023]圖9是圖8的外殼的端視圖；
[0024]圖10是按照本發明至少一個實施例的圖1和3的示范噴嘴或液體端口元件的示 意立體圖說明；
[0025] 圖11、12及13是圖10的噴嘴的相應側視圖、橫截面圖及端視圖，并且圖12是沿 在圖13中的線A-A取得的圖13的噴嘴的橫截面；
[0026]圖14和15是圖6的封裝前體的相應橫截面圖和端視圖，并且圖14是沿在圖15 中的線B-B取得的圖15的封裝前體的橫截面；
[0027] 圖16、17及18是圖7的加工前體的相應立體圖、橫截面圖及部分放大圖，并且圖 18是由在圖17中的線C指示的外殼的部分的放大圖；
[0028]圖19和20是按照本發明至少一個實施例的圖1和3的示范端蓋或板的相應橫截 面圖和端視圖說明，并且圖19是沿在圖20中的線D-D取得的圖20的端蓋的橫截面； [0029]圖21和22是圖1和6的示范兩件中心管的至少一個實施例的一半的相應側視圖 和端視圖；
[0030] 圖23和24是圖1和6的示范組裝兩件中心管的至少一個實施例的相應側視圖和 端視圖；
[0031] 圖25和26是示范實心中心管連接器的相應側視圖和端視圖，該示范實心中心管 連接器適于接合如圖1和23所示的兩個中心管段；
[0032]圖27A至27D是示范過程和設備的相應示意橫截面圖說明，該示范過程和設備用 來將端蓋卡環插入在本發明至少一個實施例的外殼中；
[0033] 圖28A至28D是示范過程和設備的相應示意橫截面圖說明，該示范過程和設備用 來將保持夾放置在本發明至少一個實施例的噴嘴上；
[0034]圖29是穿過空心纖維薄膜一部分的氣體轉移的示意放大橫截面說明；
[0035]圖 30、31 及 32 是在相應不范SweepGasMode、VacuumMode、及ComboMode中模 塊使用的示意說明；
[0036] 圖33和34是相應示范并聯和串聯接觸器構造的示意說明；
[0037] 圖35和36是按照本發明的相應示范側部和端部氣體（或液體）端口實施例的選 中示范液體和氣體（或液體）端口構造的相應示意部分立體圖說明；
[0038]圖37是空心纖維薄膜陣列的例子的示意高度放大表面視圖；
[0039] 圖38是空心纖維薄膜的示意立體端視圖，該空心纖維薄膜像來自圖37的空心纖 維薄膜；